Nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của máy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo shibaura SD 3100

trong lĩnh vực này thì còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu nhưng vấn đè cần quan tâm nhất là cấu tạo bộ phận dao cắt sao cho khi khoan hố giảm tiêu hao công suất và đảm bảo độ tơi xốp củ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

-

VŨ VĂN CẢNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA MÁY KHOAN HỐ TRỒNG CÂY LẮP TRÊN MÁY KÉO SHIBAURA SD 3100A Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá nông lâm nghiệp Mã Số: 60 52 14 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2010

ĐẶT VẤN ĐỀ Như chúng ta đã biết rừng có rất nhiều tác dụng trong đời sống, sản xuất

và đặc biệt là vấn đề sinh tồn của con người, như sản xuất ra sản phẩm phục

vụ xã hội, cân bằng sinh thái, bảo vệ môi trường tự nhiên Nhưng hiện nay rừng của nước ta ngày càng bị tàn phá và thu hẹp do nhiều nguyên nhân khác nhau đó là do bị chiến tranh tàn phá, do khai thác quá mức lại không có kế hoạch trồng và bảo vệ rừng phù hợp, do hiện tượng du canh du cư phá rẫy làm nương của đồng bào dân tộc thiểu số, do lâm tặc hoành hành và đặc biệt

là do nguy cơ cháy rừng luôn đe doạ đến an toàn của rừng , làm ảnh hưởng rất nhiều đến kinh tế- xã hội và môi trường Do vậy việc trồng rừng phủ xanh

đất trống đồi núi trọc hiện nay có một ý nghĩa quan trọng và cấp bách

Đứng trước tình hình nguồn tài nguyên rừng ngày càng bị cạn kiệt, Đảng

và Nhà nước ta hết sức quan tâm đến việc phát triển lâm nghiệp, trong đó có công tác trồng rừng, phủ xanh đất trống đồi núi trọc Chúng ta đã có nhiều chương trình dự án cho trồng rừng , nhằm khôi phục và phát triển nguồn tài nguyên rừng, đó là phát triển nghề rừng gắn với việc ổn định và phát triển đời sống của đồng bào miền núi, đồng thời có chủ trương đẩy mạnh trồng rừng, phủ xanh đất trống đồi núi trọc, theo chủ trương này, rừng và đất rừng được giao cho các đơn vị tập thể và các hộ gia đình quản lý sử dụng lâu dài Tạo nên những đơn vị sản xuất Nông - Lâm nghiệp với quy mô vừa và nhỏ Đề ra chủ trương biện pháp bảo vệ rừng, khai thác chế biến gỗ hợp lý, tạo điều kiện cho miền núi phát huy thé mạnh về sản xuất lâm nghiệp Đặc biệt tại kỳ họp lần thứ II Quốc hội khoá 10 đã thông qua nghị quyết " Dự án trồng 5 triệu ha rừng trong giai đoạn 1998 - 2010" Đây là một nhiệm vụ trọng tâm của chính sách lâm nghiệp trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước Sự thành công của dự án sẽ đem lại cân bằng sinh thái , cải thiện môi trường, đồng thời đáp ứng nhu cầu nhiên liệu cho các ngành kinh tế và đời sống của

nhân dân

Để thực hiện được nhiệm vụ trên nghành lâm nghiệp phải “Xã hội hoá nghề rừng” thực chất là thu hút sự tham gia của toàn xã hội , của mọi người dân vào sản xuất lâm nghiệp, áp dụng rộng rãi cơ giới hoá vào sản xuất lâm nghiệp, đầu tư áp dụng tiến bộ của khoa học kỹ thuật để nâng cao năng suất, giảm nhẹ sức lao động, sử dụng nhiều biện pháp và công nghệ đồng bộ từ khâu làm đất gieo ươm, trồng cây chăm sóc, bảo vệ đến khai thác, sơ chế, bảo quản và chế biến , trong đó khâu làm đất trồng rừng đóng vai trò vô cùng quan trọng, quyết định tới 25 % năng suất của cây trồng

Trong quá trình trồng rừng, làm đất là khâu nặng nhọc, vất vả, đòi hỏi chi phí nhiều năng lượng, mặt khác đối với những vùng đất đồi núi trọc bề mặt đất thường bị trai cứng cho nên công việc này càng rất khó khăn Để giảm bớt khó khăn trong quá trình làm đất và đẩy mạnh việc trồng rừng thì việc cơ giới hoá khâu làm đất là hết sức quan trọng Một trong những biện pháp cơ giới làm đất là khoan hố trồng cây, để giảm chi phí và cải thiện điều kiện làm việc thì việc nghiên cứu áp dụng cơ giới hoá trong khâu khoan hố là một bài toán cần thiết trong lĩnh vực này thì còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu nhưng vấn đè cần quan tâm nhất là cấu tạo bộ phận dao cắt sao cho khi khoan hố giảm tiêu hao công suất và đảm bảo độ tơi xốp của đất thành hố nghĩa là giảm được chi phí năng lượng,tiết kiệm nhiên liệu góp phần hạ giá thành trồng rừng, đồng thời làm cho cây mới trồng được phát triển bình thường, tỷ lệ cây sống cao, tăng trưởng nhanh.Nghiên cứu một số thông số về cấu tạo lưỡi khoan của máy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo Shibaura hiện nay là một việc hết sức cần thiết, Để nâng cao năng suất và hiệu quả sử dụng của máy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo Shibaura SD 3100 đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam Đồng thời xuất phát từ những cơ sở khoa học và thực

tiễn trên, tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu một số về cấu tạo và chế độ làm việc của máy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo Shibaura SD 3000A "

Kết quả nghiên của đề tài sẽ là tài liệu cần thiết cho việc tính toán, thiết

kế và cải tiến một số lưỡi khoan, nhằm mục đích giảm tiêu hao công suất tiến tới giảm chi phí năng lượng cho việc khoan hố trồng cây và đảm bảo cây trồng phát triển tốt nhất

* Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của máy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo Shibaura 3000A làm cơ sở cho việc hoàn thiện thiết kế, cải tiến mẫu máy để nâng cao năng suất và hiệu quả sử dụng máy khoan hố trồng cây

* Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho việc hoàn thiện thêm về mặt kết cấu mẫu áy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo Shibaura 3000A đồng thời phục

vụ cho việc chọn chế độ sử dụng hợp lý khi sử dụng liên hợp máy

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Trong công cuộc CNH- HĐH đất nước, việc cơ giới hoá các khâu công việc trong quá trình sản suất là một yêu cầu cần thiết Mục đích của nó là cải thiện điều kiện lao động, tăng năng suất lao động, nâng cao hiệu quả kinh tế Cho đến nay việc cơ giới hoá khâu làm đất ở nước ta vẫn còn đang gặp nhiều khó khăn do các máy khoan hố hiện có làm việc không hiệu quả trong điều kiện ở Việt Nam Một trong những nguyên nhân chính là lưỡi khoan chưa có cấu tạo hợp lý nên khả năng khoan kém, tiêu hao công suất lớn, máy khoan cồng kềnh nên khả năng làm việc trên đất dốc còn có rất nhiều hạn chế hoặc không thể làm việc.Hiện nay ở nước ta và nhiều nước trên thế giới có rất nhiều phương pháp làm đất tương ứng với địa hình và loại đất khác nhau

Có hai phương pháp làm đất phổ biến đó là làm đất toàn diện và làm đất cục bộ :

+ Làm đất toàn diện là tiến hành cày hay cuốc sâu khoảng từ 20 - 30 cm trên toàn bộ diện tích chuẩn bị trồng rừng Phương pháp này có ưu điểm là loại bỏ được toàn bộ cỏ dại, bụi cây cải thiện được điều kiện lập địa của đất trồng rừng, thuận lợi cho việc cơ giới hoá sản xuất Tuy nhiên nó còn có một

số nhược điểm sau: Tốn nhiều công sức, đầu tư lớn, dễ gây sói mòn đất Vì vậy phương pháp này chỉ phù hợp ở những vùng đất tương đối bằng phẳng và

có độ dốc nhỏ như vùng đất hoang hoá, đồng cỏ, ruộng bậc thang đã được thi công

+ Làm đất cục bộ: Là phương pháp làm đất mà người ta chỉ tác động lên một phần đất canh cụ thể là tác tuỳ theo điều kiện địa hình mà có thể cày theo băng hoặc cày theo đám, phương pháp này có ưu điểm là ít gây sói mòn, tiết kiệm nhân công

Ở nước ta hiện nay, công tác trồng rừng thường được tiến hành một cách phân tán với quy mô nhỏ và chu yếu trên hai loại đất chính sau:

- Đất trồng đồi trọc, đất bạc mầu lẫn đá, tầng đất canh tác mỏng, độ dốc lớn

- Đất rừng sau khai thác, độ dốc lớn, lẫn gốc cây có thảm thực vật che phủ

Từ việc nghiên cứu các loại hình công nghệ làm đất cho ta thấy, tuỳ thuộc vào đỉều kiện địa hình, địa chất đất trồng, quy mô sản xuất cũng như khả năng đầu tư tài chính thì việc nghiên cứu sử dụng các thiết bị khâu làm đất cũng khác nhau

1.1 Tình hình nghiên cứu và áp dụng cơ giới hóa khâu làm đất trồng rừng 1.1.1 Trên thế giới

Ở trên thế giới việc nghiên cứu các thiết bị cơ giới hoá làm đất trồng rừng tiến hành theo 2 hướng sau:

+ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các thiết bị chuyên dùng để làm đất nông nghiệp:

- Cày không lật đất T.C.Malxev (Nga)

- Cày trên đất lẫn đá: Là loại cày cheo 4 lưỡi tự lựa Mỗi thân cày trang

bị cơ cấu tự lựa để khi gặp đá, gốc, rễ cây thì giúp lưỡi cày nâng lên hoặc trượt qua như cày PKC-4-35, PNK-3-5, PKY-4-3

- Cày cân bằng: Làm việc trên đất dốc, khi cày chạy theo hình con thoi

- Máy cày tạo băng

+ Nghiên cứu chế tạo các bộ phận làm việc để tăng năng suất lao động (tăng tốc độ cày như cày có diệp bằng thép của viện nghiên cứu trồng rừng và

cơ giới hoá Nga…)

Các loại máy kéo có công suất cao, hiện đại như Fiat, KOMATSU, BOFORT, TZ 171, T- 130, Valmet… đã áp dụng cho khâu làm đất trồng rừng

Ở một số nước phát triển như: Mỹ, Australia, Nga, Canađa, Brazil,…

đã trang bị các máy móc Thiết bị chuyên dùng cho khâu làm đất và xử lý thực

bì như các loại máy cày, các loại máy đào gốc rễ, máy băm thái, thu dọn,…

Đối với địa hình thoải ở Đức người ta dùng máy kéo có công suất 30 45kW kéo theo cày Waldfust, có thể cày đạt độ sâu 5  30cm

Ở Australia sử dụng máy cày chảo nhiều đĩa (6  8) đĩa vun đất thành luống để trồng cây

Ở Nhật Bản, hệ thống máy kéo KOMATSU được chế tạo có công suất

từ nhỏ đến lớn (từ 30 đến hàng trăm kW) liên hợp với cày ngầm, như: D 65A,

D 85A cày sâu 560  800mm

Ở Brazil đã sử dụng cày ngầm có độ sâu cày trên 1m để làm đất trồng rừng làm cho tốc độ sinh trưởng của cây trồng tăng nhanh đáng kể…

Ở Ytalia người ta chế tạo máy cày răng khế 6 đĩa (mỗi bên 3 đĩa quay về hai phía tạo thành hình chữ V để tạo luống trồng cây), như: Rome TRC 6 – 36 liên hợp với máy kéo Hanomang, KTB cày sâu 30  40cm, bề rộng làm việc 2,2m

Nhìn chung các quy trình công nghệ làm đất trồng rừng của các nước

đã được nghiên cứu, chế tạo với công suất lớn để áp dụng cho điều kiện sản xuất lâm nghiệp tập trung quy mô lớn Do đó, chúng không phù hợp với điều kiện sản xuất lâm nghiệp quy mô nhỏ, phân tán, tầng đất canh tác mỏng Các thiết bị công tác của các loại máy này có thể xem xét cải tiến để phù hợp với điều kiện đất rừng Việt Nam

Giai đoạn 1971 – 1980, ngành lâm nghiệp đã nghiên cứu sử dụng máy kéo DT-75 và T-100 để làm bậc thang trên đồi trọc có độ dốc từ 15-300

Sau

đó để đáp ứng nhu cầu làm đất trồng rừng ngày càng tăng, PGS.TS Nguyễn Thanh Quế đã nghiên cứu chế tạo cày ngầm CN-1 và CN-2 lắp sau máy kéo

DT-54 và DT-75 với độ cày sâu đạt 40  45 cm và đã đưa vào thử nghiệm ở một số địa phương Nhưng do khả năng đầu tư còn hạn chế, cơ chế sản xuất kinh doanh thay đổi, quy trình công nghệ chưa được nghiên cứu một cách đầy

đủ nên kết quả của đề tài chưa được sử dụng rộng rãi

Việc áp dụng thử nghiệm các máy khoan hố trồng cây cầm tay của nước ngoài vào điều kiện nước ta tỏ ra không phù hợp vì: Trọng lượng máy

và độ rung lớn, không phù hợp với thể lực người Việt Nam; Công suất nhỏ, không khoan được ở những loại đất cứng khá đặc trưng cho đất đồi núi ở nước ta; Khi tạo hố lưỡi khoan miết vào thành hố tạo nên một lớp đất chặt quanh thành hố ảnh hưởng xấu đến khả năng sinh trưởng của cây trồng Vì vậy việc tiến hành nghiên cứu cải tiến các máy khoan hố theo hướng khác phục những nhược điểm trên để có thể đưa vào sử dụng trong sản xuất

Trong những năm gần đây Cơ giới hoá làm đất trồng rừng đã phát triển lên một bước cao hơn, một số máy móc hiện đại đã được nhập bổ sung và thay thế cho các móc trước kia Các máy kéo có công suất lớn như T-130 (Liên Xô cũ), KOMATSU, D53A, D53P, D65A, D85A (Nhật Bản) đã được

sử dụng vào làm đất trồng rừng tại vùng nguyên liệu giấy Vĩnh Phú, Trung tâm Khoa học – Sản xuất Lâm nghiệp Đông Bắc Bắc Bộ,…

Mặt khác, do điều kiện đầu tư trang thiết bị làm đất trồng rừng còn hạn chế, các quy trình công nghệ làm đất, đặc biệt là đất dốc, đất lẫn đá, gốc và rễ cây chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ; đồng thời điều kiện sản xuất kinh doanh lâm nghiệp đã có nhiều thay đổi so với trước đây, đất có độ dốc dưới

100 hầu như đã được sử dụng sản xuất nông nghiệp, đất rừng còn lại phần lớn

đã được giao cho dân phát triển sản xuất theo mô hình trang trại với diện tích quy mô nhỏ, phân tán nên việc sử dụng các thiết bị công suất lớn đắt tiền không còn phù hợp Vì vậy, đề tài cần nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ và lựa chọn, cải tiến những thiết bị có công suất nhỏ, phù hợp với điều kiện đất dốc, đất chặt và thường lẫn đá, gốc và rễ cây, đất chua phèn để làm đất trồng rừng nhằm đạt hiệu quả kinh tế - xã hội cao, đồng thời hạn chế được những tác động xấu đến môi trường sinh thái

1.2 Tình hình nghiên cứu và áp dụng máy khoan hố trồng cây làm đất trồng rừng

1.2.1 Trên thế giới

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như ngày nay thì có rất nhiều loại máy tạo hố trồng cây có kích thước khác nhau ở trên thế giới Đa số các loại máy này đều làm việc trên nguyên tắc: Chuyển động quay tròn của mũi khoan chủ yếu được dẫn động từ trục thu công suất của máy kéo thông qua truyền động thủy lực hoặc cơ khí, chuyển động lên xuống của mũi khoan được thực hiện nhờ hệ thống thuỷ lực của máy kéo hoặc bằng tay người điều khiển Thông thường cấu tạo máy khoan hố gồm 3 bộ phận chính: Nguồn động lực, hệ thống truyền lực và lưỡi khoan, ví dụ một số loại mấy khoan hố trồng cây có trên thế giới:

Máy khoan hố trồng cây ES – 35B của Đức sử dụng nguồn động lực là động cơ xăng 2 kỳ có công suất 2,5 mã lực Sơ đồ nguyên lý của máy (hình 1.1)

Hình 1.1- Sơ đồ nguyên lý máy khoan hố trồng cây ES – 35B

1- Động cơ xăng 2 kỳ; 2- Côn ly tâm; 3- Bộ truyền bánh răng côn; 4- Khớp nối; 5- Hộp giảm tốc bánh răng trụ; 6- Mũi khoan;

7- Tay điều khiển

Nguyên lý hoạt động của máy khoan hố trồng cây ES – 35B như sau: Mômen được truyền từ trục khuỷu của động cơ 1, qua côn ly tâm 2, qua

bộ truyền bánh răng côn 3 để thay đổi phương truyền momen, qua khớp nối 4, qua hộp giảm tốc 5, tại đầu ra của trục thứ cấp hộp giảm tốc 5 có vận tốc quay nhỏ còn mômen lớn đảm bảo đủ lớn để truyền cho mũi khoan số 6 quay tròn

và thực hiện cắt đất Hành trình tiến sâu vào đất là nhờ trọng lượng của máy

và kết hợp với lực tỳ của tay người khoan cầm vào tay 7 với những nơi đất rắn chắc Năng suất của loại máy này có thể đạt được (800 – 1000) hố trong một ngày Loại máy này có ưu điểm là tính cơ động cao, chi phí nhiên liệu thấp Tuy nhiên, còn có một số nhược điểm là khi khoan sẽ tạo ra mômen ngược chiều quay tác động lên tay người điều khiển máy làm cho người điều khiển máy phải làm việc rất nặng nhọc Máy có công suất nhỏ nên khi làm việc trên vùng đất rắn chắc thì năng suất không cao, chất lượng hố thấp

Hiện nay ở các nước phát triển trên thế giới đã sản xuất ra các loại máy khoan hố trồng cây cầm tay 2 người điều khiển (hình 1.2), nhưng do máy sử dụng hộp giảm tốc bánh răng trụ cho nên kết cấu và trọng lượng máy lớn (36Kg) gây khó khăn khi vận hành Để giảm kích thước và khối lượng máy khoan hố, người ta đã sử dụng bộ truyền trục vít- bánh vít thay cho sử dụng

bộ truyền bánh răng trụ nên giảm được cả về kết cấu gọn nhẹ và chỉ cần có 1 người điều khiển (hình 1.3), tuy nhiên hiệu suất thấp và tuổi thọ không cao do hiện tượng trượt và tự hãm của bộ truyền trục vít- bánh vít

Hình 1.2- Máy khoan hố cầm tay hai người điều khiển

a- Máy khoan hố TAN- TEA- 500; b- Máy khoan hố GEN- 330H

Hình 1.3- Máy khoan hố cầm tay một người điều khiển

Ngoài ra còn có rất nhiều loại máy khoan hố trồng cây lắp sau các loại máy kéo bánh hơi Các loại máy khoan này đều được dẫn động từ trục thu công suất qua truyền động các đăng để làm quay mũi khoan (hình 1.4) hoặc được dẫn động qua hệ thống truyền động thuỷ lực (hình 1.5)

Hình 1.4- Máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo được dẫn động từ trục

thu công suất qua trục các đăng và hộp giảm tốc

Hình 1.5- Máy khoan hố trồng cây với dẫn động thủy lực

Việt Nam, công suất nhỏ; Đối với máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo khi tạo hố, thành hố bị miết làm ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng cây trồng Chính vì vậy trong những năm qua một số tác giả của trường Đại học Lâm nghiệp đã nghiên cứu thiết kế, cải tiến máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo cỡ nhỏ 4 bánh và 2 bánh để thích ứng với điều kiện trồng rừng của nước ta như:

Năm 2002, kỹ sư Nguyễn Hồng Quang thực hiện đề tài: “Thiết kế máy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo BS-8” (hình 1.6)

Hình 1.6- Máy khoan hố trồng cây dùng nguồn động lực máy kéo BS-8

1- Mũi khoan; 2- Khớp nối; 3- Hộp giảm tốc; 4-Bánh đai bị động; 5- Trục lắp then hoa; 6- Trục rỗng; 7- Tay đòn; 8- Thanh; 9- Chốt; 10- Khớp nối; 11- Chốt trượt; 12- Rãnh dài hình chữ nhật; 13- Thanh; 14- Chốt; 15- Tấm; 16- Khung đỡ hộp giảm tốc; 17- Trục trung gian; 18- Puly đai trrung gian; 19- Puly

đai chủ động

Máy có ưu điểm nhỏ gọn, khoan hố tốt nhưng có nhược điểm là rất khó khăn trong việc di chuyển máy trên địa hình đất Lâm nghiệp của nước ta, hơn nữa khả năng cơ động của LHM máy không cao

Năm 2005, kỹ sư Lưu Thùy Linh thực hiện đề tài: “ Thiết kế máy khoan

hố trồng cây lắp trên máy kéo Shibaura” Sơ đồ nguyên lý máy khoan hố

trồng cây lắp trên máy kéo Shibaura với dẫn truyền lực các đăng như hình 1.7:

Hình 1.7- Máy khoan hố trồng cây dẫn động cơ khí lắp trên máy kéo

Shibaura

1- Lưỡi khoan; 2- Hộp giảm tốc; 3- Khối nặng; 4- Trục các đăng; 5- Tay đòn; 6- Mặt bích; 7- Thanh nối với hệ thống thủy lực; 8- Thanh nâng; 9- Thanh treo dưới; 10- Khung hộp giảm tốc

Máy khoan hố trồng cây dẫn động cơ khí lắp trên máy kéo Shibaura đã

khắc phục được nhược điểm của máy khoan hố lắp trên máy kéo BS8 là dễ dàng di chuyển trên địa hình đất Lâm nghiệp nhưng cũng có nhược điểm là: Khi khoan, mũi khoan gặp phải vật cản như gốc cây hay đá sẽ gây quá tải đột ngột làm phá hỏng máy khoan Để khắc phục nhược điểm này người ta đã thay thế hệ thống dẫn động cơ khí bằng dẫn động thủy lực cho mũi khoan

Năm 2006, kỹ sư Nguyễn Thị Thắm thực hiện đề tài: “ Thiết kế máy khoan hố trồng cây với dẫn động thuỷ lực lắp trên máy kéo Shibaura” (hình

1.8)

Hình 1.8- Máy khoan hố trồng cây với dẫn động thủy lực lắp

trên máy kéo Shibaura

1- Mũi khoan; 2- Khớp nối; 3- Môtơ thủy lực; 4- Tay đòn; 5- Tay đòn nâng hạ; 6- Thanh; 7- Thanh treo dưới; 8- Khung môtơ thủy lực; 9- Bơm thủy lực; 10- Giá chữ L; 11- Khớp; 12- Trục thu công suất; 13- Thùng dầu; 14- Hộp van phân phối; 15- Đế hộp van phân phối; 16- Van an toàn; 17- Đường

Hình 1.9- Khảo nghiệm máy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo Shibaura

SD3000A với dẫn động thủy lực

Máy có ưu điểm là dễ điều khiển, hố được tạo ra có phương thẳng đứng Tuy nhiên máy vẫn chưa tận dụng được hết công suất của máy kéo, hệ thống thủy lực làm việc liên tục và không có hệ thống làm mát dẫn đến dầu thủy lực nóng làm giảm hiệu suất khoan hố hoặc không khoan được hố, không phù hợp khi khoan hố ở những nơi đất dốc

1.1.3 Kết luận chương 1

Trên thế giới, máy khoan hố trồng cây được sử dụng rất phổ biến với nhiều chủng loại khác nhau để cơ giới hóa khâu làm đất trồng rừng, loại cầm tay (một người điều khiển và loại hai người điều khiển) và loại lắp trên máy kéo (dẫn động bằng cơ khí và loại dẫn động bằng thủy lực)

Ở nước ta, trong những năm gần đây được sự quan tâm của nhà nước

đã có một số công trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo và thử nghiệm máy khoan

hố trồng cây lắp trên các máy kéo cỡ nhỏ để làm đât trồng rừng, cụ thể: Máy khoan hố trồng cây (dẫn động cơ khí và loại dẫn động thủy lực lắp trên máy kéo BS8 – Đề tài do PGS.TS Nguyễn Nhật Chiêu chủ trì); Máy khoan hố trồng cây dẫn động thủy lực lắp trên máy kéo Shibaura SD 3000A – Đề tài

do PGS.TS Nông Văn Vìn chủ trì; Máy khoan hố trồng cây dẫn động cơ khí lắp trên máy kéo MTZ 50 phục vụ cơ giới hóa làm đất vùng Tây Nguyên;

- Thông số đầu vào phục vụ thiết kế máy khoan hố trồng cây chủ yếu tiến hành theo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm như xác định mô men cản trên trục lưỡi khoan, tốc độ làm việc của lưỡi khoan và lực ấn lưỡi khoan vào đất… được lấy theo kinh nghiệm nên các thông số thiết kế máy chưa được tối ưu

- Bộ phận làm việc chủ yếu của máy khoan hố là lưỡi khoan, kết cấu và kích thước hình học của nó quyết định đến chất lượng và năng suất làm việc của máy khoan Việc nghiên cứu thiết kế nó của các công trình thiết kế từ trước tới nay chủ yếu dựa vào kinh nghiệm để lựa chọn là chủ yếu Vì vậy cần thiết phải có những nghiên cứu cơ bản để xác định thông số cấu tạo tối ưu cũng như lực ấn cần thiết khi nó làm việc sao cho chi phí năng lượng cho khoan hố là tối thiểu và năng suất đạt cực đại

CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của máy khoan hố lắp trên máy kéo Shibaura 3000A đến mô men cản trên trục lưỡi khoan và năng suất khi làm việc Kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho việc thiết kế cải tiến lưỡi khoan và chọn chế độ sử dụng liên hợp máy hợp lý

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Trong những năm gần đây, nước ta đã nhập nhiều loại máy kéo bốn bánh

cỡ vừa và nhỏ từ Nhật Bản để phục vụ sản xuất nông nghiệp như Shibaura, Kubota… Các loại máy kéo này là kiểu máy kéo lớn thu nhỏ, có nhiều tính năng tốt như công suất trung bình, tiết kiệm nhiên liệu , giá cả vừa phải và đặc biệt là máy có hai cầu chủ động nên có khả năng bám tốt…

Trên cơ sở tận dụng nguồn động lực sẵn có và phát huy tính năng tác dụng của loại máy kéo đó để phục vụ sản xuất lâm nghiệp, đẩy mạnh công tác cơ giới hoá khâu làm đất trồng rừng Năm 2006, PGS-TS Nông Văn Vìn -Trường Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội, thực hiện đề tài cấp nhà nước KC 07 - 26 đã thiết kế chế tạo máy khoan hố trồng cây lắp trên máy kéo Shibaura-3000A với dẫn động thuỷ lực Đề tài đã nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm thành công LHM gồm máy kéo Shibaura 3000A (4x4) với thiết bị khoan hố phục vụ trồng

rừng được lắp trên hệ thống treo của máy kéo Khi khoan hố, mô men quay được truyền từ động cơ thủy lực qua hộp giảm tốc bánh răng côn đến làm quay trục mũi khoan, lực ấn lưỡi khoan vào đất được thực hiện nhờ xi lanh thủy lực của hệ thống nâng hạ lắp sau máy kéo

Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu như đã nêu ở trên thì đối tượng nghiên cứu vấn đề này rất rộng Riêng các loại lưỡi khoan dùng để khoan hố hiện naycó tới trên 10 dạng khác nhau như: Dạng lưỡi khoan xoắn rộng, xoắn hẹp, dạng cánh nâng, dạng lưỡi thìa, dạng khung, dạng lò so mũi xoắn, dạng khoan nông cánh rộng Trong mỗi dạng lại có nhiều loại khác nhau ( khoan lỗ rộng, khoan lỗ trung bình, khoan lỗ hẹp ) loại đất để nghiên cứu cũng có rất nhiều Chọn đối tượng nghiên cứu chính là chọn dạng lưỡi khoan và chọn đất để tiến hành làm thực nghiệm

2.2.1 Giới thiệu máy kéo Shibaura-3000A

Máy kéo Shibaura-3000A là loại máy kéo 4 bánh do Nhật Bản sản xuất được nhập vào nước ta để phục vụ sản xuất nông nghiệp Máy có kết cấu đơn giản, ổn định, dễ sử dụng, thích hợp với mọi loại đất: Ruộng khô, ruộng nước, vườn cây ăn quả, trang trại lâm nghiệp Máy có thể sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, có thể lắp: Cày chảo, máy phay, rơmooc Ngoài

ra có thể làm động lực tĩnh cho các loại máy tuốt lúa, máy bơm nước, máy phát điện và nhiều máy khác Không chỉ phù hợp với hoạt động nông nghiệp thuần tuý, máy còn có thể dùng cho các họat động sản xuất lâm nghiệp vì nó đáp ứng được yêu cầu làm việc trên nhiều vùng địa hình thoải Việt Nam Máy kéo Shibaura-3000A có 4 bánh chủ động gồm hai phần chính là động cơ và hệ thống truyền lực Động cơ của máy là động cơ Điêzel, công suất 30 mã lực Hệ thống truyền lực gồm côn ma sát, hộp số, truyền lực trung ương, hộp vi sai

Máy kéo có khả năng làm việc tốt, tiêu thụ năng lượng thấp, kích thước nhỏ gọn, phù hợp với diện tích canh tác nhỏ và điều kiện đường xá ở nông thôn

Hình 2.1 Hình dáng bên ngoài của máy kéo Shibaura-3000A

Một số thông số và đặc tính kỹ thuật của máy kéo Shibaura-3000A cho

ở (bảng 2.1) và tỷ số truyền của hệ thống truyền lực (bảng 2.2)

Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật của máy kéo Shibaura-3000A

Thông số Giá trị Đơn vị Ghi chú

mm

mm KG/cm2 (1245 – 1223) mm

1200

393

mm

mm KG/cm2

mm

mm

Trọng lượng (G)

- Trên cầu trước (G1)

- Trên cầu sau (G2)

R

719,93 560,71 458,51 617,43

317,38 247,05 200,96 265,19

114,47 113,76 91,82 122,70

68,98 52,34 41,36 56,90 Tầng chậm Tỉ số truyền hộp giảm tốc = 7,61

- Công suất động cơ: 30 mã lực

- Trục thu công suất: Bố trí đằng sau máy, chúng có 4 tốc độ tuỳ theo

tỷ số truyền và tốc độ quay của động cơ

- Cơ cấu treo: Bố trí phía đằng sau máy

- Hệ thống thuỷ lực:Dùng cho cơ cấu nâng hạ lắp phía sau máy kéo

2.2.2 Giới thiệu liên hợp máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo Shibaura-3000A

Đặc điểm kỹ thuật của máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo Shibaura-3000A:

- Bơm thủy lực:

+ Mã hiệu HШ-50, do Liên Xô chế tạo

+ Số vòng quay bơm: (500 – 1000) vòngphút

+ Lưu lượng riêng bơm: 50 cm3/vòng

- Động cơ thuỷ lực (mô tơ thuỷ lực):

+ Mã hiệu OMP-50, do Italia chế tạo

- Van phân phối có thể điều khiển được chiều quay của trục bơm nhằm giúp cho thoát tải dễ dàng khi lưỡi khoan bị mắc vào rễ cây (cần quay ngựơc lại)

- Van an toàn bảo vệ hệ thống khi hệ thống bị quá tải, khắc phục hiện tượng quá tải máy kéo, động cơ thuỷ lực, bơm và các chi tiết khác

Máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo Shibaura-3000A sử dụng lưỡi khoan có lưỡi cắt đáy hố và mũi tâm Cấu tạo của lưỡi khoan:

+ Đường kính lưỡi khoan D = 0,38m

+ Đường kính trục khoan là 50mm

+ Chiều cao lưỡi khoan H = 0,6m

+ Góc cắt trước của lưỡi cắt 0 = 400

+ Góc cắt sau của lưỡi cắt 0 = 150

+ Góc cắt trượt của cạnh sắc  = 300 – 400

+ Mũi khoan ở tâm: Có dạng một “ngòi bút”, với hai nhánh xẻ sang hai bên Đường kính mũi tâm D = 80mm

+ Góc cắt sau của mũi tâm từ 5 – 100

+ Khoảng cách H2 giữa đầu mũi khoan ở tâm đến cạnh sắc theo chiều trục khoan là H2 = 80mm

+ Việc nối trục mũi khoan ở tâm với trục khoan được thực hiện nhờ mối ghép then và chốt hãm

1 2 3

5

6 7 8 4

Hình 2.2: Lưỡi khoan có lưỡi cắt đáy hố và mũi tâm

Sơ đồ nguyên lý truyền động cho lưỡi khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo Shibaura SD 3000A:

Hình 2.3: Sơ đồ truyền động thuỷ lực cho máy khoan hố

trồng cây lắp sau máy kéo Shibaura-3000A

1 -Trục thu công suất của máy kéo; 2 - Khớp nối; 3 - Bơm thuỷ lực; 4 - Van an toàn;

5 - Van phân phối; 6 - Động cơ thuỷ lực;7 - Hộp giảm tốc; 8 - Trục khoan;

9 - Thùng dầu

Truyền động cho trục máy khoan là nhờ động cơ thuỷ lực Bơm thuỷ lực (3) được nhận chuyển động từ trục thu công suất của máy kéo qua khớp nối Bơm thuỷ lực hút dầu từ thùng chứa, dầu thuỷ lực được đưa đến động cơ thuỷ lực (6) và các xi lanh thuỷ lực nhờ các đường ống và được điều khiển nhờ van phân phối loại ngăn kéo (5) lắp trên ca bin của máy kéo

Chuyển động quay của trục máy khoan được thực hiện nhờ động cơ thuỷ lực

và một hộp giảm tốc 1 cấp Động cơ thuỷ lực và hộp giảm tốc cùng với máy khoan được lắp trên một giá trượt Chuyển động nâng lên hạ xuống của giá trượt để tạo lực khoan hố cũng như đưa lưỡi khoan lên khỏi lòng hố được thực hiện nhờ một xi lanh thuỷ lực Toàn bộ cụm giá trượt và xi lanh thuỷ lực nâng hạ máy khoan được lắp trên cơ cấu treo của máy kéo Cơ cấu treo vốn

có của máy kéo chỉ được sử dụng để nâng hạ toàn cụm máy khoan hố từ tư thế khoan sang tư thế vận chuyển và ngược lại Toàn bộ sơ đồ cụm của hệ thống truyền động cho máy đào hố được thể hiện ở hình 2.4 Nhờ sử dụng hệ thống truyền động thuỷ lực, kết cấu của máy sẽ đơn giản hơn nhiều so với khi sử dụng hệ thống truyền động cơ khí như trên các liên hợp máy trước đây Toàn bộ hệ thống thuỷ lực được bố trí đằng sau máy

Nguyên lý hoạt động của máy khoan hố trồng cây lắp sau máy kéo Shibaura-3000A:

Dầu có áp suất do bơm cung cấp qua hộp van phân phối tới mô tơ thuỷ lực được chuyển thành mô men quay trên trục của mô tơ thủy lực nhờ

mô tơ thuỷ lực làm cho mũi khoan chuyển động quay tròn cắt đất

Hành trình đi lên của máy khoan nhờ bộ phận treo sau, nó được nâng

hạ nhờ hệ thống thuỷ lực của máy kéo Để nâng lưỡi khoan lên ta gạt cần điều khiển của hệ thống thuỷ lực từ vị trí trung gian về vị trí nâng làm cho hệ thống treo sau máy kéo cùng với máy khoan hố từ từ được nâng lên

Hành trình đi xuống của máy khoan nhờ trọng lượng bản thân của khung máy, của mô tơ thuỷ lực và lực ấn của xi lanh thủy lực Sau khi khoan đạt chiều sâu quy định, gạt cần điều khiển của hệ thống thuỷ lực về vị trí nâng làm cho hệ thống treo sau cùng lưỡi khoan đi lên khỏi mặt đất

2.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu xác định ảnh hưởng của một số thông số thuộc cấu tạo lưỡi khoan và chế độ làm việc đến chi phí năng lượng của liên hợp hợp máy khi làm việc ở một loại đất cụ thể

2.4 Nội dung nghiên cứu

2.4.1 Nghiên cứu lý thuyết

Với đối tượng nghiên cứu đã chọn, để đạt được mục tiêu đề ra, luận văn tập trung giải quyết những nội dung sau:

- Nghiên cứu lựa chọn loại lưỡi khoan phù hợp

- Nghiên cứu động học và động lực học lưỡi khoan khi làm việc

- Tính toán lựa chọn, thiết kế kết cấu hình học lưỡi khoan

- Tính toán chi phí năng lượng khi khoan hố

- Tính toán mô men cản trên trục lưỡi khoan

2.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số thuộc cấu tạo lưỡi khoan và chế độ làm việc đến chi phí năng lượng (mô men cản trên trục lưỡi khoan) và năng suất lao động khi khoan hố

2.5 Phương pháp nghiên cứu

2.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Lý thuyết cơ học chất điểm (chuuyển động của hạt đất khi khoan )

- Sử dụng lý thuyết đồng dạng – Mô hình và thứ nguyên để xây dựng mô hình

thiết kế chế tạo lưỡi khoan thí nghiệm

2.5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mô men cản trên trục lưỡi khoan và năng suất đối với máy khoan hố, đó là:

Tốc độ trục lưỡi khoan;

Loại lưỡi khoan (mũi định tâm, lưỡi cắt, cánh nâng đất…)

Các thông số cấu tạo lưỡi khoan (góc trước, góc sau, góc sắc …)

Lực ấn lưỡi khoan vào đất

Độ chặt của đất

Ta không thể nghiên cứu mức độ ảnh hưởng đồng thời của tất cả các yếu tố được mà cần phải lựa chọn những yếu tố chính và loại bỏ những yếu tố không cần thiết

Để lựa chọn những yếu tố chính có thể sử dụng phương pháp thu thập thông tin qua các tài liệu tham khảo, tìm hiểu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm về vấn đề nghiên cứu hoặc tiến hành thực nghiệm thăm dò…Chúng tôi đã lựa chọn được một số yếu tố chính và ký hiệu các yếu tố như sau:

n - tốc độ trục lưỡi khoan (v/p);

Các thông số cấu tạo lưỡi khoan:

s - lượng ăn dao, (mm)

 - góc trước (độ),

 - góc sau, (độ)

F - lực ấn lưỡi khoan vào đất (N)

Những thông số cần xác định:

Mô men cản trên trục lưỡi khoan, (Nm)

Năng suất khoan hố (hố/ ca)

Để nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến mô men cản và năng suất khi khoan hố chúng tôi áp dụng phương pháp sau:

a/, Phương pháp mô hình - đồng dạng:

Để tiến hành các thí nghiệm xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến mô men cản trên trục của lưỡi khoan, chúng tôi xây dựng mô hình thực nghiệm dựa trên phương pháp lý thuyết mô hình - đồng dạng Mô hình được xây dựng trên cơ sở của lý thuyết mô hình - đồng dạng và thứ nguyên

Mô hình hoá được xây dựng trên cơ sở đồng dạng vật lý, nghĩa là giữa

mô hình máy khoan tay và máy khoan lắp sau máy kéo shibaura có cùng hiện tượng vật lý

Đồng dạng vật lý bao gồm: Đồng dạng hình học, đồng dạng tĩnh học và đồng dạng động học,

+ Đồng dạng tĩnh học

Dùng cho các ngoại lực, khi ngoại lực đó đặt lên mô hình và vật thực

là như nhau đối với trục toạ độ

Điều kiện của đồng dạng tĩnh học là:

R F

F R R

R

( Với 0 M) (2.5) Nếu mô hình có xét đến sự biến dạng do kết quả của ngoại lực thì biến dạng tương đối giữa mô hình và vật thựcphải bằng nhau , nghĩa là:

0 = M (2.6)

Theo Hooke thì 0 =

0 0

0

F E

R

và M =

M M

M

F E

R

, Giữa mô hình và vật thực đồng dạng

Nên

0 0

0

F E

R

=

M M

M

F E

R

Và

M M

M E F

F E R

R0  0 0 (2.7) Khi mô hình và vật thực dùng cùng loại vật liệu thì:

E0 = EM nên RC = 0  0   2

M

F R

t L

t L V

V

M M

b/ Phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố

Thực nghiệm đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh hưởng riêng của từng yếu tố đến thông số đầu ra, qua đó thăm dò được mức biến thiên , khoảng biến thiên thích hợp cho từng yếu tố riêng biệt làm cơ sở cho phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố

Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố hình học của lưỡi khoan và chế độ làm việc đến mô men xoắn trên trục của mũi khoan,năng suất, để làm cơ sở cho việc lựa chọn, cải tiến và sử dụng chúng một cách hợp lý phục vụ khâu làm đất trồng cây

Nguyên tắc chung của phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố

là cố định các yếu tố khác, thay đổi một yếu tố để xác định ảnh hưởng của yếu

tố biến thiên đó tới thông số mục tiêu, qua đó thăm dò được khoảng nghiên

cứu cho phép của mỗi yếu tố và các ảnh hưởng tới giá trị cực trịcủa thông số mục tiêu

Quá trình thực nghiệm đơn yếu tố tiến hành theo các bước sau:

- Thực hiện đo lường các đại lượng, cụ thể là đo mô men cản, tốc độ trên trục lưỡi khoan và năng suất khi khoan hố tương ứng với từng yếu tố ảnh hưởng thay đổi, với số lần lặp lại thí nghiệm n = 3 lần để đảm bảo xắc suất tin cậy

là 90 - 95 %

- Sau khi thí nghiệm xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của mỗi yếu tố tới năng suất và mô men cản trên trục mũi khoan và phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuần nhất của các phương sai trong quá trình thí nghiệm Thuật toán phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuần nhất như sau:

- Tính tổng bình phương sai lệch giữa các tổng thể của mô men cản MC và năng suất khoan hố Ng với tổng giá trị của Mci và Ngi ở mỗi lần đo, với số lần lặp lại i = 1 - 3 ; j = 1- 5 và phương sai tổng thể được xác định như sau:





N

y yij

(2.11) Trong đó : n là số lần thí nghiệm lặp lại

so sánh trị số F với giá trị Fb, nếu F < Fb thì S2

yt là đáng kể và ảnh hưởng của yếu

tố x là tin cậy

- Đánh giá tính đồng nhất của phương sai

Tính từng phương sai thí nghiệm ngẫu nhiên đối với thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố, kí hiệu S2

n

i (2.13) Sau đó áp dụng tiêu chuẩn Cohren để đánh giá tỷ số

Max

S S

1 2

2

(2.14)

Với giá trị theo bảng tiêu chuẩn Cohren Gb ( với  = 0,05 ; f1= n - 1 ; f2 = k ) nếu G  Gb thì các phương sai là đồng nhấtvà có số liệu thí nghiệm là đáng tin cậy

Khi thực hiện phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố phải tuân theo các quy tắc bố trí thí nghiệm và phải đảm bảo yếu tố ngẫu nhiên Việc xác định thứ tự thí nghiệm chúng tôi dùng cách rút thăm

+ Phương pháp xử lý số liệu

Việc sử lý số liệu được tiến hành theo các bước:

- Thực hiện đo lường các đại lượng lặp lại thí nghiệm n lần, để đảm bảo xác suất tin cậy lớn hơn hoặc bằng 95 %

- Sau khi thí nghiệm, tiến hành xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của mỗi yếu tố tới các thông số nghiên cứu Đánh giá tính thuần nhất của các phương sai trong quá trình thí nghiệm , để chứng tỏ ảnh hưởng khác đối với thông số cần xét,

là không có hoặc không đáng kể

- Việc sử lý số liệu đo đạc được tiến hành theo phương pháp thống kê toán học

c./ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố cho phép nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đầu ra

Trong lĩnh vực cơ khí lâm nghiệp như thiết kế, chế tạo, sử dụng hay thử

nghiệm , phương pháp quy hoạch hoá thực nghiệm đa yếu tố đóng vai trò hết

sức quan trọng Nhờ có phương pháp này mà ta giảm bớt được khối lượng thí

nghiệm, xác định được mức độ ảnh hưởng đầy đủ các yếu tố, tìm ra được mô

hình toán học phù hợp, đồng thời cũng cho những lời giải tối ưu của quá trình

Quy hoạch thực nghiệm là phương pháp tổ chức và tiến hành thí nghiệm

sao cho có thể nhận được lượng thông tin lớn nhất, đầy đủ nhất và chi phí ít

nhất về vật liệu, thời gian, công sức

Quy hoạch thực nghiệm được xây dựng theo nguyên tắc” hộp đen” nghĩa

là đối tượng nghiên cứu là phần đóng kín “hộp đen“ trong đó diễn ra quá trình

mà nhà nghiên cứu chưa biết trước đượ

X1 y1

Z ĐỐI TƯỢNG y2

E NGHIÊN CỨU yn

Trong đó :

X1 Các yếu tố có thể kiểm tra và điều khiển được

Z Các yếu tố có thể kiểm tra được nhưng không điều khiển được

E: Các yếu tố không kiểm tra, điều khiển được (các yếu tố nhiễu)

y1, y2 yn Các thông số đầu ra

Do đó xây dựng mô hình toán học diễn tả tương quan giữa các tham số

đầu vào (yếu tố vào) với các tham số đầu ra (tham số ra) là nội dung chính

của quy hoạch thực nghiệm

Để thực hiện được nội dung trên, thường phải tiến hành một loạt các bài toán kế tiếp nhau mà ta gọi là các bước (hay các giai đoạn) sau:

1 Chuẩn bị máy, thiết bị và dụng cụ cho thí nghiệm

2 Xây dựng nội dung thí nghiệm (giai đoạn tiền thực nghiệm)

3 Chọn phương án thích hợp cho thực nghiệm

4 Tổ chức thực nghiệm

5 Xử lý số liệu thực nghiệm

6 Phân tích và giải thích kết quả nhận được

+ Xây dựng nội dung thực nghiệm

Nội dung của bước này là xây dựng quy mô của bài toán mà cụ thể là đi thí nghiệm cái gì? để làm gì ? trên cơ sở đó chọn các tham số vào và tham số

ra thích hợp, bước này rất quan trọng vì rằng số lượng các tham số vào và tham số ra rất lớn (có khi lên tới hành chục, hàng trăm)

Nếu đưa tất cả các biến này vào nghiên cứu thì số lượng thí nghiệm sẽ quá nhiều, vì thế phải tiến hành chọn những cái cơ bản nhất, quan trọng nhất,

để đạt được mục đích này người ta thường xếp hạng các biến số theo mức độ quan trọng và chỉ quan tâm đến những tham số điều khiển được và có ảnh hưởng rõ nét Việc đánh giá ảnh hưởng nhiều hay ít của một tham số vào thường phải tiến hành bằng một loạt thí nghiệm ban đầu

Sau khi chọn được các tham số vào và ra, tiếp tục chọn vùng biến thiên (vùng xác định) của các biến đầu vào, thoả mãn điều kiện sau:

Ximin < Xi < Ximax ; (i = 1, 2, 3 ….n)

Giá trị cố định của yếu tố trong một thí nghiệm gọi là mức của yếu tố

ấy Trong số các mức khác nhau của yếu tố quan trọng nhất là mức cơ sở (mức không) gọi là xi0

Sau cùng là chọn khoảng biến thiên Ii của biến thứ i, khoảng biến thiên

Ii được chọn sao cho mức trên và mức dưới đối xứng qua mức 0 và phải lớn hơn đáng kể so với sai số khi đo đạc các yếu tố đó

+ Chọn kế hoạch thực nghiệm

Nhiệm vụ chính của bước này là lập kế hoạch thực nghiệm sao cho có thể nhận được biểu thức toán học biểu diễn quan hệ giữa các tham số ra với Y với các tham số vào Xi (i = 1,2,3 …n) tức là Y = f(x1, x2, x3 …., xn) gọi là hàm tương quan hay hàm hồi quy ở dạng đa thức bậc nhất hay bậc hai nếu lấy hàm này ở bậc cao hơn thì sẽ kéo theo chi phí lớn để xác định nó Nếu hàm hồi quy là tuyến tính đối với mọi yếu tố vào thì nó có thể tìm bằng cách thực nghiệm các yếu tố đầy đủ, viết tắt là (TYĐ)

Nếu hàm hồi quy là đa thức bậc hai thì sẽ chọn trong các phương pháp

kế hoạch bậc cao như kế hoạch kết cấu hài hoà từ tâm, kế hoạch trực giao, kế hoạch đối xứng bậc hai …

Theo Alder, nội dung của giai đoạn này bao gồm giải quyết tất cả các câu hỏi liên quan đến việc lậo nên bài toán, nhưng mục đích chủ yếu của nó là chọn các tham số vào và tham số ra thích hợp

Sau khi chọn được các tham số vào, tiếp tục chọn vùng biến thiên của các yếu tố và vùng kế hoạch hoá của các thí nghiệm

Vùng thứ nhất được xác định từ tất cả các giá trị có thể của các yếu tố

x1 với i = 1, 2, 3 … m và vùng thứ hai được xác định bằng điều kiện để tổ chức thực nghiệm Vùng kế hoạch hoá thực nghiệm biểu diễn một phần vùng biến thiên của các yếu tố hoặc là vùng sai số

Tuy nhiên bài toán vùng kế hoạch hoá được đặt ra bằng các hạn chế:

Ximin < Xi < Ximax, i = 1, 2, 3 … m giá trị cố định của yếu tố thứ i trong mỗi thí nghiệm nào đó là mức của yếu tố đó Trong đó các mức khác nhau của yếu tố xi quan trọng nhất là mức cơ sở xio được tính toán theo công thức:

Khi khoảng biến thiên Ii phải lớn hơn đáng kể so với sai số x1 khi đo đạc các yếu tố x1 Khi chọn Ii lớn có nguy cơ một số thí nghiệm không có thông số chứa trong đó

Vậy Ii được chọn một cách thoả hiệp sau khi phân tích cẩn thận như ở trên

Nhiệm vụ tiếp theo của bước này là chọn kế hoạch thí nghiệm thích hợp, tức là chọn điều kiện để tổ chức thí nghiệm Khi ta không có thông tin sơ

bộ về dạng của mô hình toán học, ta nên dùng nguyên tắc kế hoạch hoá tuần

tự nghĩa là: Tổ chức một số không lớn thí nghiệm để nhận được dạng mô hình toán học đơn giản nhất và nếu mô hình này tương thích thì thực nghiệm coi như đã kết thúc thắng lợi

Nếu mô hình không dùng được chúng ta phải bổ sung thêm các thí nghiệm mới và kế hoạch tương ứng cho đến khi nhận được mô hình toán học

Kế hoạch hoá bậc nhất có hai loại:

Thực nghiệm các yếu tố đầy đủ (Kí hiệu TYĐ) có số thí nghiệm N = 2m

Thực nghiệm các yếu tố rút gọn (Kí hiệu TYR) có số thí nghiệm N =

2m-p

Trong đó: m – số yếu tố, P – Bậc rút gọn

Để xác định các hệ số bi (i = 1,2 …m) của loại mô hình này cần thiết mỗi yếu tố biến thiên ít nhất trong hai mức: Mức trên được ký hiệu là +1, mức dưới được ký hiệu là -1, Nếu kế hoạch bậc nhất không tương thích hành nhờ

kế hoạch hoá bậc hai Mô hình toán học bậc hai có hai dạng:

Để tìm mối phụ thuộc bậc hai đòi hỏi mỗi yếu tố phải biến thiên trong

ba mức Mức trên ký hiệu +1, mức dưới ký hiệu -1, mức trung bình ký hiệu là 0/

Hiện nay trong lý thuyết kế hoạch hoá thực nghiệm, các tác giả đã đưa

ra nhiều phương pháp khác nhau để xác định mô hình toán học (phương trình hồi quy) như là: kế hoạch tựa D – tối ưu kiểu Bm kế hoạch hoá Harly, kế hoạch hoá trực giao Bosk – Uyson, kế hoạch hoá bất biến quay Bosk – Hanter, kế hoạch hoá Perotrinski

Tuỳ theo yêu cầu, điều kiện cho phép khi thí nghiệm xây dựng mô hình toán học mà ta có thể áp dụng một trong các phương pháp trên

+ Nội dung của phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm

+ Quy hoạch thực nghiệm bậc 1

Để nhận được hàm hồi quy tuyến tính dạng

+ Quy hoạch thực nghiệm bậc 2

Quy hoạch thực nghiệm bậc 2 được ứng dụng trong trường hợp nếu thấy việc kiểm tra sự tương thích của dạng tuyến tính không phù hợp, hoặc đã biết rằng đối tượng nghiên cứu chủ yếu có đặc điểm phi tuyến tính Mô hình toán học của quy hoạch thực nghiệm bậc 2 có dạng

Có nhiều kế hoạch bậc 2, nhưng được ứng dụng rộng rãi nhất là kế hoạch kết cấu hài hoà từ tâm Đặc điểm quan trọng của kế hoạch này là trên cơ sở quy hoạch tuyến tính (TYĐ với n < 5 hoặc TYR với n >5) và bổ sung thêm một số điểm mới Tâm của kế hoạch mới chính là tâm của kế hoạch tuyến tính, vì vậy

nó được coi là kế hoạch hài hoà từ tâm và ( Ký hiệu là KHT)

Phương pháp xây dựng ma trận của kế hoạch hài hoà từ tâm như sau:

Số cột của ma trận bằng số yếu tố và những tương tác cặp đôi của chúng nếu có Số hàng ma trận tương ứng với số thí nghiệm và được ký hiệu là: N

Các điểm mới của kế hoạch bậc 2 được chọn ngay trên miền biến thiên của các yếu tố và các đều tâm một khoảng , các điểm mới này gọi là điểm sao và gọi là tay đòn của điểm sao

Số lượng thí nghiệm trong KHT là:

N = N0 + N1 + N (2.21)

Trong đó:

N0: Là số thí nghiệm tại tâm (thường N0 = 1)

N1: Là thí nghiệm của kế hoạch bậc 1 (phần nhân của kế hoạch bậc 2)

N: Là số điểm sao

Vấn đề quan trọng khi xây dựng KHT là lựa chọn tay đòn Điểm sao 

việc chọn  phải dựa trên cơ sở của một tiêu chuẩn nào đó về tính tối ưu Xa điểm chính của KHT là không có tính trực giao, do đó việc tính toán các hệ số hồi quy b1 có thể trở nên phức tạp Nên người ta đề xuất biện pháp chọn 

sao cho ma trận kế hoạch hoá là trực giao

Bằng phương pháp biểu đồ ma trận đảm bảo quy hoạch trực giao ta nhận được phương trình để xác địnhphụ thuộc số yếu tố và số lượng thí nghiệm tại tâm quy hoạch

Với n < 5 thì 4 + 2 2n – 2n-1 (n+0,5N0) = 0

Với n < 5 thì 4 + 2 2n-1 – 2n-2 (n+0,5N0) = 0

Để tiện cho việc tính toán cơ số của phương trình, người ta đã lập bảng tính giá trị của 

Sau khi chọn  để lập ma trận thí nghiệm, nhờ có tính tương giao của KHT mà các hệ số trong của phương trình hồi quy được xác định độc lập

Với phương pháp đã trình bầy ở trên thì bài toàn mô hình toán học hồi quy bậc 2 của các kế hoạch hoá hài hoà từ tâm được tiến hành thuận tiện Nhưng KHT cũng có nhược điểm cơ bản là khi khoảng cách tới tâm theo các hướng khác nhau mà không bằng nhau thì phương sai dự đoán có thể khác nhau nhiều Để khắc phục nhược điểm này người ta đã nghiên cứu nhiều kế hoạch thực nghiệm, trong đó kế hoạch có nhiều đặc tính tốt hơn cả là: kế hoạch hoá tựa D – tối ưu kiểu Bm Ma trận thực nghiêm trong kế hoạch này chấp nhận như của TYĐ (2m) ngoài ra có 2m điểm sao và tay đòn của các điểm sao lấy cùng một giá trị = 1 Yếu tố X1 biến thiên trên 3 mức là -1, 0, +1 giá trị điểm sao = 1 không có điểm thí nghiệm tại tâm vùng thí nghiệm

N0 = 0 cho nên N = N1 + Na = 2m-p + 2m

Và kế hoạch hoá thực nghiệm Harly Nó giống B, song khác ở chỗ có thêm một điểm thí nghiệm tại tâm tức là N0 = 1 nên phương sai dự đoán dễ tương thích hơn

- Theo Harly thì số thí nghiệm theo công thức:

N = N1 + N + N0 = 2m-p + 2m + 1 (2.22)

Vậy căn cứ vào những ưu nhược điểm của từng phương pháp kế hoạch hoá thì chúng tôi chọn phương pháp để nghiên cứu cho các yếu tố ảnh hưởng đến mômen cản trên trục lưỡi khoan và độ nén chặt thành hố là kế hoạch hài hoà từ tâm của Harly

+ Lập ma trận thực nghiệm

- ứng dụng mỗi phương pháp thì có một ma trận khác nhau, ma trận phụ thuộc vào các yếu tố và số lượng thí nghiệm Các yếu tố (thông số) đã được mã hoá ở các mức

- Đối với TYĐ và TYR thì các yếu tố biến thiên ở hai mức + 1 và - 1

- Đối với các phương pháp kế hoạch hoá bậc hai thì các yếu tố biến thiên theo 2 mức (+1; 0; -1)

Trong ma trận: Hàng dọc là số thí nghiệm, hàng ngang là số yếu tố

+ Xác định hệ số của phương trình hồi quy

- Đối với phương án bậc nhất

Các hệ số hồi quy được xác định theo các công thức:

- Đối với phương án bậc 2:

- Có thể xác định các hệ số hồi quy theo thuật toán ma trận theo công thức:

B = (X.XT)-1.XT.Y

Trong đó: B: Ma trận của hệ số phương trình hồi quy

X: Ma trận thí nghiệm

XT: Ma trận chuyển vị của ma trận X Y: Ma trận kết quả của thí nghiệm

- Cũng có thể tính hệ số của phương trình hồi quy theo công thức sau:

.

N

ij j i

i N

i j

j i

x y b

.

N

ij ij j j

ji N

i j i j j

x x y b

.( )

N

ij ij j j

ji N

i j j

x x y b

v x n



1

1 (

N

i

y n

- Kiểm tra giả thuyết về tính đồng nhất của các phương sai

Sau khi xác định được các hệ số của phương trình hồi quy ta tiến hành gia công số liệu theo các bước sau:

+ Kiểm tra tính đồng nhất của dãy các phương sai được tiến hành theo tiêu chuẩn Kokren

2 2

N

i l

S MAX

S i